基于水力分级原理的组合型海上除油船

徐子杨 田君芮 贾祖娟 王琪

摘 要：本装置是一种基于静置分层法与水力分级原理的组合型海上除油船。首先利用油水天然的密度差异，通过静置分层法将收集的油水混合物中大量的水分排出，完成第一步分离。再经过水力旋流器，通过旋转离心，油滴与水滴受到不同大小的离心力，实现了第二步的分离。本装置使油水收集系统与油水分离系统协调配合，能够快速、有效的解决海上突发的溢油事故，具有较高的研究与推广价值。

关键词：油水分离;静置分层;水力分级

1.研究背景及目的

随着海上油田开发业以及海上石油运输业的发展，船舶溢油以及海上油田溢油事故时有发生。海上溢油事故已然成为近百年来人类对自然生态进行破坏的最为严重的活动之一。墨西哥湾溢油事故、渤海湾溢油事故等都对周边海域生态环境以及人类的生产生活造成了巨大损害，也引起全世界人民的广泛关注。溢油事故发生后，可以在海水表面形成油膜，阻碍海水内气体的交换，这样对鱼类等海洋生物的呼吸产生严重的危害，使海洋生物发生窒息死亡;也会造成海鸟的羽毛被原油污染，严重影响鸟类的飞行功能，造成无法捕食而饿死等等。除此之外，油污上岸也会导致近海植物受损或死亡;油层还会阻隔海气交换，导致局部地区气候异常。针对该问题，本项目组提出了基于水力分级原理的组合型海上除油船。

2.组合型海上除油船

组合型海上除油船由油水收集器、初级分层罐、水力旋流器等组成。装置结构如图1所示。

（1）静置分层罐

泄露的油污通过收集装置被泵吸入，再提供动力使油水混合物进入初级分层罐，根据油水密度差别，油水混合物进入罐中会从上至下分为三层：油层、油水混合层、水层，在罐中不同位置设置排水口，第一步通过最高的排水口将含水量较少的油污排出收集起来，第二步将最低的排水口打开，将较为纯净的海水放出，此时剩余的油水混合物降至罐底层， 再通过最低的排水口通入水力旋流器进行进一步的分离。目的是使初级分层罐先大致将油水混合物进行分离，提高后期水力旋流器的分离效率。

（2）水力旋流器

目前水力旋流器已經在工业上被广泛应用，但大多是用于固-液分离。液-液分离的水力旋流器适用于两种互不相融且有一定密度差的液体。由于油和水的密度相差较小，并且在剪切力太大的情况下，油滴很容易形成较小的颗粒，产生乳化现象使得液-液分离的水力旋流器技术要求相较于固-液分离会更加困难。[1]目前国内外的水力旋流器外形结构不尽相同，原理也都大同小异。考虑到油水分离的难度，并且基于现有的水力分离器的研究成果，提出了新型的水力旋流器。新型水力旋流器结构如图3所示。新型的水力旋流器的结构主要由射流入口、圆柱段、锥形段、花管、出口灯部分组成。

新型水力旋流器的原理是：油水混合物经射流泵进入水力旋流装置。含油污水切向或螺旋向进入圆筒涡旋段，并沿旋流管轴向螺旋态流动。由于油、水的密度差，密度较大的水及固体颗粒靠近管壁，而密度较小的油则集中到中心部位，在中心位置设置一不密封的玻璃花管，外壁开有一排一定孔径的圆形小孔（小孔的孔径、位置、数量均由试验效果确定），这样可以使集中的油污透过小孔进入花管内，分离之后的海水通过旋流器下端放出。油、水通过不同的出口分别导引出来，从而回收了水中的分散油，并净化了水质。

新型水力旋流器关键性问题：（1）切线射入流量的大小（入口速度）对于分离效果的影响;（2）旋流器的外部构造对涡流运动形态的影响;（3）旋流器中花管直径大小对油污收集的影响;（4）花管上小孔的孔径、位置、密度优化设置;（5）不同油水所占比例对旋流器分离效果的影响。为解决以上关键性问题，设置了自循环系统，如图4所示。

3.结论与展望

中国已进入环境污染事故的高发期，形式十分严峻。突发事件应急预案的制定对控制 事态发展、减轻和降低污染和危害都有不可估量的作用。针对有代表性的海洋突发性污染事件，应分别采取不同的应急预案。对海上运输溢油事件，采取合适的方法势在必行。目前的除油方法大多为先收集后用化学方法进行处理，该方法不仅周期长，效率低还可能会造成二次污染。该油水分离装置不仅可以高效分离油水，而且采用物理方法和对海水无任何污染的氯化钙增大水油密度差，节能又高效。

参考文献：

[1]张鹏飞，汪九山，姚芳莲.复合聚丙烯板在油水分离中的应用[J].中国塑料，2003，15（4）：60-62

基金：华北水利水电大学2018年校级大学生创新训练计划一般项目（2018XB198）